نقطه‌های کوانتومی اکسید روی: گام تازه ژاپنی‌ها به سمت کیوبیت‌های اسپینی

نقطه‌های کوانتومی نیمه‌رسانا یکی از گزینه‌های مطرح برای ساخت رایانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر هستند. این ساختارهای بسیار کوچک الکترون را در فضایی محدود محبوس می‌کنند و می‌توان از اسپین آن برای ذخیره و پردازش اطلاعات استفاده کرد. تاکنون موادی مانند سیلیکون و آرسنید گالیم بیشتر بررسی شده‌اند؛ اما اکسید روی (ZnO) هم ویژگی‌هایی دارد که آن را جذاب می‌کند.

چرا اکسید روی؟

• محیط هسته‌ای با اسپین هسته‌ای پایین: این ویژگی می‌تواند برهم‌کنش‌های ناخواسته میان اسپین الکترون و محیط اطراف را کم کند و زمان حفظ حالت اسپینی را بالا ببرد.
• گاپ انرژی مستقیم: در آینده می‌تواند ارتباط نوری با حالت‌های کوانتومی را ممکن کند.

مانع قدیمی: خواندن سریع و دقیق

محبوس کردن الکترون کافی نیست؛ پژوهشگران باید وضعیت آن را با سرعت و دقت بالا اندازه بگیرند. هرچه خوانش حالت کوانتومی سریع‌تر و دقیق‌تر باشد، کنترل فرایندهای کوانتومی هم بهتر می‌شود.

چه ساختند؟

پژوهشگران دانشگاه توهوکو با همکاری مؤسسه ملی علوم مواد (NIMS) و دانشگاه توکیو افزاره‌ای از اکسید روی ساختند که دو نقطه کوانتومی هدف (QD۱ و QD۲) و یک نقطه کوانتومی حسگر (SQD) داشت. حسگر مانند یک الکترومتر بسیار حساس، تغییرات کوچک بار الکتریکی را تشخیص می‌دهد. آن‌ها این حسگر را به یک مدار تشدیدکننده با فرکانس رادیویی وصل کردند و از «بازتاب‌سنجی با فرکانس رادیویی» استفاده کردند؛ روشی که تغییر بار الکترون‌ها را با سرعت بسیار بیشتر از اندازه‌گیری‌های متعارف شناسایی می‌کند. نتیجه با اندازه‌گیری جریان عبوری مقایسه شد و هر دو روش رفتار مشابهی نشان دادند.

همان افزاره اجازه داد الکترون‌های منفرد محبوس شوند و شکل‌گیری یک نقطه کوانتومی دوتایی با تعداد بسیار کم الکترون تأیید شود؛ ساختاری که از پایه‌های مهم برای کیوبیت‌های اسپینی است. تاموهیرو اوتسوکا، دانشیار دانشگاه توهوکو، می‌گوید این نمایش یک روش اندازه‌گیری مهم برای ارزیابی سریع حالت‌های کوانتومی در این ماده فراهم کرده است. نتایج در Physical Review Applied منتشر شده است.

گام بعدی

تیم می‌خواهد از تشخیص بار به خوانش و دستکاری مستقیم اسپین الکترون‌ها برسد و زمان آسایش اسپین و زمان همدوسی را در نقطه‌های کوانتومی اکسید روی اندازه بگیرد. زمان آسایش نشان می‌دهد حالت اسپینی چه مدت پیش از بازگشت به تعادل حفظ می‌شود؛ زمان همدوسی هم مدتی است که اطلاعات کوانتومی پیش از از بین رفتن به دلیل برهم‌کنش با محیط باقی می‌ماند. نتایج فعلی را باید یک گام آزمایشگاهی مهم دانست، نه یک رایانه کوانتومی آماده استفاده.

منبع: ایسنا به نقل از ستاد نانو